Material kan delas in i tre kategorier: ledare som låter elektroner flöda genom dem, isolatorer som förhindrar flödet av elektroner och halvledare som bara låter elektroner flöda under vissa förhållanden. Skillnaden mellan dem kan bäst förklaras av skillnaden i deras bandgap.
Ett bandgap är ett energiområde i ett material där ingen elektron kan existera. Ledare har inget bandgap, så elektroner kan fritt röra sig genom dem för att generera en elektrisk ström. Metaller inklusive järn, koppar, silver, guld och aluminium är representativa ledare.
Isolatorer som olja, glas, gummi och keramik har ett stort bandgap som förhindrar flödet av elektroner. Halvledare har däremot ett litet bandgap, och flödet av elektroner och elektronhål kan kontrolleras genom att tillföra föroreningar till materialet.
Halvledare av N- och p-typ
Rena kisel- och germaniumkristaller har isolatorliknande egenskaper, och elektricitet flödar knappt genom dem ens när en spänning påläggs. Detta beror på att deras kristallgitter håller elektronerna på plats tätt och knappast låter dem röra sig.
När en mycket liten mängd föroreningar som fosfor tillförs frigör det dock en del elektroner och ger kristallerna ledarliknande egenskaper. Halvledare som innehåller föroreningar som producerar överskottselektroner kallas halvledare av n-typ (”n” står för negativa), och de med föroreningar som skapar en brist på elektroner kallas halvledare av p-typ (”p” står för positiva). I en halvledare av p-typ fungerar elektronhål snarare än elektroner som laddningsbärare, och beter sig som om positivt laddade elektroner strömmar.
När halvledare av p-typ och n-typ förenas, producerar den sammansatta enheten (kallad p-n-övergångsdiod) likriktareffekten där flödet av elektrisk ström släpps ut eller stoppas beroende på det elektriska fältets riktning.
Transistor: en anordning för att förstärka elektrisk ström
En transistor är en halvledarenhet som används för att förstärka eller byta elektriska signaler. Namnet transistor är en kombination av orden transfer och resistor. Transistorer utvecklades eftersom, när likriktareffekten hade uppnåtts med halvledare, behövde människor en halvledaranordning för att förstärka elektriska signaler för telegraf och telefon.
Världens första MOS-transistor tillverkades 1960 av Dawon Kahng och M. M. Atalla på Bell Labs. MOS-transistorer är de mest använda transistorerna idag.
De har två områden av n-typ substrat åtskilda av en vägg av p-typ substrat. När en positiv grindspänning appliceras blir toppen av p-typsubstratet ledande genom induktion, vilket sänker barriären och tillåter elektroner att flöda mellan de två n-typterminalerna. I själva verket förstärker små förändringar i grindspänningen förändringar i utströmmen.
Den expanderande domänen av halvledare
En halvledare definieras idag brett som ett material med elektrisk ledningsförmåga som kan styras fritt på ett eller annat sätt. Med andra ord, vilket material som än kan användas som en transistor är en halvledare.
Det fanns en tid då germanium och kisel uteslutande användes som halvledare, och endast gruppen 14 grundämnen i det periodiska systemet ansågs vara halvledare. I takt med att studier av sammansatta halvledare och organiska halvledare fortskred, ändrades dock definitionen av en halvledare till att omfatta alla typer av halvledande material, snarare än bara en specifik grupp av element.
Några som lades till ganska nyligen till kategorin halvledare inkluderar kolnanorör som upptäckts av Dr Sumio Iijima och ledande polymerer som upptäckts av Dr Hideki Shiarakawa och andra som vann Nobelpriset i kemi. Tillämpningar av dessa halvledarmaterial studeras av forskare runt om i världen.
Vad är en halvledare?
En halvledare är ett material som kommunicerar endast hälften av strömmen. Den har en partiell konduktivitet, vilket betyder att den är mindre ledande än ledarna och mer ledande än isolatorerna.
Alla smarta enheter som mobiltelefoner och datorer använder sig av en omfattande samling halvledare, främst kisel, som i sin tur är täckt med miljarder transistorer och solida halvledare.
En vanlig förklaring av halvledarna är att tänka på dem som en dåligt byggd bro som bara kan stänga halvvägs och som behöver resenären hoppa den återstående vägen. Medan en isolator är en bro som inte kan stänga och göra det omöjligt för någon av resenärerna att gå igenom.
Vad är doping?
Halvledarnas egenskaper kan modifieras och anpassas efter behov genom att tillsätta föroreningar i en liten mängd genom dopningsprocessen. Resultaten av dopningen är starkt beroende av vilken typ av föroreningar som tillsätts i halvledaren och koncentrationen av föroreningen. Den elektriska strömmens väg genom en halvledare regleras via dopning.
I konduktörer har elektorer förmågan att bära strömmen och fungera som laddningsbärare. Medan i halvledare fungerar både elektorer och hål som laddningen bär. Reglering av dopningen gör att laddningsbäraren kan anpassas till elektron- eller hålbaserad.
Hur fungerar en halvledare?
Alla halvledarmaterial som kisel, kiselkarbid och andra har en unik egenskap – alla har fyra elektorer i sitt yttersta skal. Dessa yttersta elektorer kan bilda kovalenta bindningar med fyra andra atomer för att bilda kristallgitterstrukturer.
Kristallerna har olika former och typer. Till exempel framställs diamant om kolhalvledare används. På liknande sätt kan ett silvermetalliskt material bildas med användning av kisel.
Kisel finns i överflöd på jorden, och det är anledningen till att det är den mest utbredda halvledaren. Oren substans, som bor eller gallium, tillsätts i en liten mängd i kiselkristallen för att göra den instabil och möjliggöra fri rörlighet för elektronerna.
Den fria rörligheten för väljare är avgörande för att ha obalanserade elektroner i strukturen, vilket i sin tur genererar en laddning. Laddningen som produceras kan vara negativ eller positiv, beroende på mängden elektroder. Den positiva laddningen orsakas när det finns mycket få elektorer, och negativ laddning produceras om det finns fler elektroner.
Egenskaper för en halvledare
Olika typer av material i en halvledare bidrar med olika kvaliteter och egenskaper till enheten. De grundläggande egenskaperna hos en halvledare är:
- En halvledare bör endast kunna leda en liten mängd ström.
- Det bör varken vara en mycket bra eller fruktansvärd ledare av elektricitet.
Halvledares egenskaper kan anpassas genom att lägga till eller eliminera atomer.
Hur fungerar halvledare?
En ledare kan leda elektricitet antingen genom rörelse av elektroner eller genom joner. Metallisk ledare leder genom rörelse av elektroner medan elektrolyter genom joner. Metaller leder elektricitet i fast såväl som smält tillstånd. Metallers ledningsförmåga beror på antalet valenselektroner tillgängliga per atom.
Atomorbitaler av metallatomer från ett molekylärt band. Om detta band är delvis fyllt eller överlappar med ett obesatt högre energiband. Då kan elektroner flyta lätt under ett pålagt elektriskt fält och metallen visar ledningsförmåga. Om gapet mellan valensbandet och nästa högre lediga band är stort kan elektroner inte hoppa till det och ett sådant ämne har mycket liten ledningsförmåga och det beter sig som en isolator.
När det gäller halvledare är gapet mellan valensbandet och ledningsbandet litet. Därför kan vissa elektroner hoppa till ledningsbandet och visa viss ledningsförmåga. Den elektriska ledningsförmågan hos halvledare ökar med stigande temperatur eftersom fler elektroner kan hoppa till ledningsbandet. Ämnen som kisel och germanium uppvisar denna typ av beteende och kallas inneboende (naturliga) halvledare.
Konduktiviteten hos dessa halvledare är för låg för att vara praktiskt användbar. Deras konduktivitet ökas genom att tillsätta en lämplig mängd lämplig förorening. Denna process kallas doping. Doping görs med en förorening som är elektronrik eller elektronbrist jämfört med den inneboende halvledaren kisel och germanium. Sådana föroreningar introducerar elektroniska defekter i dem och vi drar fördel av dessa defekter. Det finns två typer av sådana defekter: –
(i) Elektronrika föroreningar
Kisel och germanium tillhör grupp 14 i det periodiska systemet och har fyra valenselektroner vardera. I sin kristall bildar varje atom fyra kovalenta bindningar med sina grannar. När de dopats (sammansmälts) med en grupp av 15 element som P(fosfor) eller As (Astatine), som innehåller fem valenselektroner, upptar de några av gitterplatserna i kisel eller germaniumkristall. Fyra av fem elektroner används vid bildandet av fyra kovalenta bindningar med de fyra angränsande kiselatomerna. Den femte elektronen är extra och blir delokaliserad. Dessa delokaliserade elektroner ökar ledningsförmågan hos dopat kisel (eller germanium). Här beror ökningen i konduktivitet på den negativt laddade elektronen. Därför kallas kisel dopat med en elektronrik förorening en halvledare av n-typ.
(ii) Elektron – föroreningar med underskott
Kisel eller germanium kan också dopas med en grupp 13 element som B, Al eller Ga som bara innehåller tre valenselektroner. Platsen där den fjärde elektronen saknas kallas elektronhål eller elektronvakans. En elektron från en angränsande atom kan komma och fylla elektronhålet som har rört sig i motsatt riktning mot elektronen som fyllde det. under påverkan av det elektriska fältet skulle elektroner röra sig mot de positivt laddade plattorna genom elektroniska hål, men det skulle se ut som om elektronhålen är positivt laddade och rör sig mot den negativt laddade plattan. Denna typ av halvledare kallas en p-typ halvledare.
